Messung kleiner Kräfte unter großer Vorlast

Piezoelektrische Sensoren erzeugen eine elektrische Ladung, wenn eine Kraft eingeleitet wird. Das Funktionsprinzip ist in der Graphik oben veranschaulicht.

Die erzeugten Ladungen sind proportional zur Kraft. Maßeinheit der Ladung ist pC (10^-12 Coulomb, was einer Ladung von 3,12 * 10^-6 Elementarladungen entspricht). Sensoren, die Quarz als piezoelektrisches Sensormaterial nutzen, weisen eine Empfindlichkeit von ca. 4,3 pC/N auf. Das heißt für eine Kraft von einem Newton, die in den Sensor eingeleitet wird, entsteht eine Ladung von 4,3 pC. Einige Sensoren nutzen Gallium-Phosphat als piezoelektrischen Kristall. Der Vorteil ist, dass hiermit die doppelte Empfindlichkeit erreicht wird. Bei gleicher Kraft entsteht die doppelte Menge an Ladung. Diese Ladungen werden an einen Ladungsverstärker weitergegeben, der das Signal in ein 0...10 V Signal wandelt.

Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass die Empfindlichkeit des Sensors unabhängig von der Nennkraft - gleiches Material vorausgesetzt – gleich bleibt. Es kann also ein sehr großer Sensor für die Messung einer sehr kleinen Kraft eingesetzt werden. Ein weiterer Vorzug liegt darin, dass es möglich ist, die Ladungen physikalisch zu Null zu setzen. Durch Kurzschluss kann erreicht werden, dass auch dann eine Ladung von Null pC am Eingang anliegt, wenn der Sensor durch eine Kraft (in unserem Beispiel eine Vorspannung) belastet ist.

In dieser Situation kann der Ladungsverstärker auf eine höhere Empfindlichkeit eingestellt werden, sodass der Messbereich der zu messenden Kraft entspricht. Dabei ist die Vorspannung nicht relevant. Es ist also für die Auflösung und Genauigkeit der Messung ohne Bedeutung, ob ein piezoelektrischer Sensor unter Vorlast oder gar ohne Vorlast betrieben wird. Mithilfe der RESET-Funktion ist es immer möglich, den Eingang des Ladungsverstärkers auf Null zu bringen.

Piezoelektrischer Sensor beim Arbeiten unter einer Vorlast: Nach Aufbringen der Vorlast wird die Messkette durch Reset auf Null gebracht. Der Ladungsverstärker kann jetzt in einem sehr gut angepassten (kleineren) Messbereich betrieben werden.

Beispiel:

Ein Messring wird unter einem Bolzen montiert. Ziel ist die Messung einer Zugkraft, die auf die Verschraubung wirkt. Zunächst wird die Vorspannkraft aufgebracht. Diese kann auch ermittelt werden, indem der Messring selbst zur Bestimmung eingesetzt wird. Durch Auslösen des RESET am Ladungsverstärker wird für die Messkette ein Nullabgleich durchgeführt; es liegt keine Ladung am Eingang an. Jetzt wird der Ladungsverstärker auf einen beliebigen Messbereich eingestellt. Auch kleinste Kräfte können nun sicher gemessen werden.

Bitte beachten Sie:

• Besonders einfach ist diese Messung mit modernen digitalen Ladungsverstärkern, wie z. B. dem CMD600, da hier jeder beliebige Messbereich eingestellt werden kann.
• Beim beschriebenen Beispiel handelt es sich um eine Messung im Kraftnebenschluss. Bevor Kräfte quantitativ gemessen werden können, ist eine Kalibrierung  in der Einbausituation notwendig. Weiterführende Informationen finden Sie in dem Artikel 'Einbau von Kraftaufnehmern'.
• Piezoelektrische Sensoren weisen immer eine Drift auf, die es notwendig macht, zyklisch zu nullen oder einen Hochpassfilter zu verwenden. Sind beide Möglichkeiten nicht gegeben, müssen Dehnungsmessstreifen-basierte Sensoren eingesetzt werden.

Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) arbeiten nach folgendem Prinzip:

• Eine Kraft wird in einen Federkörper eingeleitet, sodass dieser Federkörper minimal verformt wird. 
• Dehnungsmessstreifen sind an hierfür geeigneten Stellen verklebt, die diese Verformung in eine elektrische Widerstandsänderung umwandeln.
• Durch eine geschickte Verschaltung (Wheatstone´sche  Brückenschaltung) und einer Versorgung mit einer Spannung kann schließlich diese Widerstandsänderung in eine messbare Spannung gewandelt werden.

DMS-Sensoren bieten den Vorteil, dass sie in sehr vielen Kenngrößen wie z. B. Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes und der Empfindlichkeit, Biegemomenteinfluss oder auch Linearität elektrisch abgleichbar sind. Je nach Bedarf lassen sich mit dieser Technologie beispiellose Genauigkeiten erreichen.

Das Ausgangssignal eines solchen Sensors ist eine elektrische Spannung. Die Spannung ist immer abhängig von der Speisespannung, mit der der Sensor versorgt wird. Betrachten wir Ausgangssignale, die auf Grund von Fehlereinflüssen entstehen (Temperaturen, parasitäre Lasten usw.) nicht, so bleiben zwei Größen, die das Gesamtsignal ausmachen:

• Die „relative Abweichung des Nullsignals“ beschreibt das Ausgangssignals eines unbelasteten Aufnehmers
• Die in den Sensor eingeleitete Kraft wird - wie oben beschrieben - in ein messbares elektrisches Ausgangssignal gewandelt.

Führt man einen Nullabgleich in der Software oder an einem Messbrückenverstärker durch, so ist dies stets eine Addition oder Subtraktion der beiden Spannungen, die oben beschrieben sind. Dies geschieht i.d.R. in einer Berechnung im Messverstärker oder der Software. Die Ausgangsspannung des Sensors bleibt unverändert. Der Messbereich der Messkette muss der Gesamtkraft, also der anliegenden Vorspannung und der zu messenden Kraft entsprechend gewählt werden.

In unserem Beispiel oben, bei der Überwachung eines Stahlseils, das eine elektrische Leitung trägt, sind die Änderungen der Spannkraft sehr klein, verglichen mit der Grundspannung. Da eine kleine Signaländerung in einem größeren Messbereich erfasst werden muss, ist es verständlich, dass deshalb eine hohe Auflösung des Messsignals erforderlich ist. Zum anderen müssen die Fehler der Kraftmesskette deutlich geringer sein als die zu messenden Kraftänderungen.

Hier spielen vor allem die Einflussgrößen eine große Rolle, die in einer Messunsicherheitsbetrachtung auf den Messbereichsendwert zu beziehen sind. Weiterführende und ausführliche Informationen zu diesem Thema finden Sie in dem Artikel 'Hochgenau ist hocheffizient: Warum besonders genaue Kraftaufnehmer neue Anwendungsgebiete ermöglichen'. Geringer Einfluss der Temperatur auf das Nullsignal, kleiner Linearitätsfehler und geringes Kriechen sind von hoher Bedeutung für sichere Messergebnisse. Anders als bei der Messung sehr kleiner Kräfte mit Sensoren höherer Nennkraft, muss in dieser Anwendung auch die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit beachtet werden.

Wie oben ausgeführt, gibt der belastete Sensor eine Ausgangsspannung ab, auch wenn diese durch Nullsetzen am Verstärker nicht angezeigt wird. Ändert sich die Empfindlichkeit des Sensors durch Temperatureinfluss, hat dies unmittelbaren Einfluss auf das Ausgangssignal. Dieser Einfluss steigt, wenn die ständig anliegende Vorlast steigt - in unserem Beispiel eine hohe Seilspannung.

Bitte beachten Sie:

• In vielen Fällen haben sich die sehr präzisen und robusten radialsymmetrischen Scherkraftsensoren bewährt, vor allem wenn die Messung bei sich ändernden Temperaturen stattfinden soll. Solche Sensoren weisen sehr geringes Kriechen (250 ppm in 30 min) und vor allem sehr geringe Temperaturfehler auf. Der neue Druckkraftaufnehmer C10 hat eine Temperaturabhänigkeit des Nullpunktes von nur 75 ppm/10K, der Kraftaufnehmer U10M erreicht ähnlich gute Kennwerte.
• Für kleine Kräfte sind S-förmige Kraftaufnehmer (S2M, S9M) eine Überlegung wert, die ebenfalls sehr präzise arbeiten. Im Gegensatz zu den radialsymmetrischen Scherkraftaufnehmern sind allerdings Beschränkungen im dynamischen Verhalten zu akzeptieren.
• Aufgrund der Driftfreiheit der DMS-Sensoren ist die Dehnungsmessstreifentechnologie ohne Alternative, wenn ein zyklischer RESET oder der Einsatz von Hochpassfiltern nicht möglich ist.